电工学少学时多媒体教学光盘第.ppt

1,电工学（少学时） 多媒体教学光盘第2版,多 媒 体 教 案,刘凤春 陈希有 主编,高 等 教 育 出 版 社,高等教育电子音像出版社,（少学时）,（第二版）,第 1 章 直流电路,下一章,上一章,返回主页,1.1 电路的作用和组成,1.3 电路的状态,1.2 电路的基本物理量,1.4 电路中的参考方向,1.5 理想电路元件,1.6 基尔霍夫定律,1.7 支路电流法,1.8 叠加定理,1.9 等效电源定理,1.10 非线性电阻电路,3,1.1 电路的作用和组成,一、什么是电路,电路就是电流流通的路径。,是由某些元、器件为完成一定功能、按一定 方式组合后的总称。,4,二、电路的作用,一是实现能量的 输送和转换。,二是实现信号的 传递和处理。,5,三、电路的组成,电源,负载,导线等,是将非电形态的能量转换为电能的供电设备,是将电能转换为非电形态的能量的用电设备,起沟通电路和输送电能的作用,6,从电源来看，电源本身的电流通路称为内电路， 电源以外的电流通路称为外电路。,当电路中的电流是不随时间变化的直流电流时， 这种电路称为直流电路。,当电路中的电流是随时间按正弦规律变化的交 流电流时，这种电路称为交流电路。,7,电路有时又称电网络，简称网络。,如果电路的某一部分只有两个端钮与外 部连接，则可将这一部分电路视为一个 整体，称为二端网络。,8,1.2 电路的基本物理量,I,1. 电流,单位时间内通过电路某一 横截面的电荷量称为 电流强度，简称电流。,电流的实际方向规定为正电荷运动的方向，在 内电路中由电源负极流向正极，在外电路中由 电源的正极流向负极。,9,2. 电位,电场力将单位正电荷从电路 的某一点移至参考点时所消 耗的电能，也就是在移动中 转换成非电形态能量的电能 称为该点的电位。,参考点的电位为零。,直流电路中电位用 V 表示，单位为伏特（V）。,参考点的选择,机壳需要接地的电子设备，可将机壳选作参考点。 机壳不一定接地的设备，可将其中元件汇集的公共,10,3. 电压,电场力将单位正电荷从电路 的某一点移至另一点时所消 耗的电能，即转换成非电形 态能量的电能称为这两点间 的电压。,电压就是电位差。,I,E,US, , , ,UL,直流电路中电压用 U 表示，单位为伏特（V）。,US 是电源两端的电压， UL 是负载两端的电压。,11,I,4. 电动势,电源中的局外力（即非电 场力）将单位正电荷从电 源负极移至电源正极时所 转换而来的电能称为电源 的电动势。,电动势的实际方向规定为由低电位指向高电位。,E,US, , , ,UL,在直流电路中电动势用 E 表示， 单位为伏特（V）。,12,5. 功率,单位时间内所转换的电能 称为电功率，简称功率。,电源产生的电功率为 PE = E I,在直流电路中功率用 P 表示， 单位为瓦特（W）。,电源输出的电功率为 PS = US I,负载消耗（取用）的电功率为 PL = UL I,13,6. 电能,在时间 t 内转换的电功率称为电能。,电能与功率和时间的关系为 W = P t,在直流电路中电能用 W 表示。,电能的单位为焦尔（J）。,工程上电能的计量单位为千瓦时（kWh）， 1 千瓦时为 1 度电，1 kWh3.6 106 J。,14,当电源与负载接通，电路中有 了电流及能量的输送和转换。 电路的这一状态称为通路。,1.3 电路的状态,一、通路,I,S,通路时，电源向负载输出电功率，电源这时的状态称 为有载或称电源处于负载状态。,各种电气设备在工作时，其电压、电流和功率都有一 定的限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件 和工作能力的，称为电气设备的额定值。,15,二、开路,S1,S2,E,EL1,EL2,当某一部分电路与电源断开， 该部分电路中没有电流，亦无 能量的输送和转换，这部分电 路所处的状态称为开路。,开路的特点：,开路处的电流等于零,I0,开路处的电压应视电路情况而定,电源既不产生也不输出电功率，电源这时的状态称为空载。,U 视电 路而定,16,三、短路,当某一部分电路的两端用电 阻可以忽略不计的导线或开 关连接起来，使得该部分电 路中的电流全部被导线或开 关所旁路，这一部分电路所 处的状态称为短路或短接。,S1,S2,电源短路,短路的特点：,短路处的电压等于零,U0,短路处的电流应视电路情况而定,I 视电路而定,EL1,EL2,17,1.4 电路中的参考方向,在进行电路的分析和计算时，需知道电压 和电流的方向。在简单直流电路中，可以根据 电源的极性判别出电压和电流的实际方向，但 在复杂的直流电路中，电压和电流的实际方向 往往是无法预知的，且可能是待求的；而在交 流电路中，电压和电流的实际方向是随时间不 断变化的。因此，这时要给它们假设一个方向 作为电路分析和计算时的参考。这些假定的方 向称为参考方向或正方向。,18,I,I,原则上参考方向可任意选择。,在分析某一个电路元件的电压与电流的关系 时，需要将它们联系起来选择，这样设定的 参考方向称为关联参考方向。, ,U,电源,负载, ,U,19,1.5 理想电路元件,理想电路元件,理想有源元件,理想无源元件,电 压 源,电 流 源,电 阻 元 件,电 容 元 件,电 感 元 件,20,一、理想有源元件,1. 电压源（恒压源）,US,电压源的特点：,输出电压 U 是由其本身所确定的定值，与输出电流 和外电路的情况无关。,输出电流 I 不是定值，与输出电压和外电路的情况 有关。,21,2. 电流源（恒流源）,IS,电流源的特点：,输出电流 I 是由其本身所确定的定值，与输出电压 和外电路的情况无关。,输出电压 U 不是定值，与输出电流和外电路的情况 有关。,电激流,22,当电压源和电流源电压和电流的实际方向如上 图，它们输出（产生）电功率，起电源作用。,23,当电压源和电流源电压和电流的实际方向如上 图，它们取用（消耗）电功率，起负载作用。,24,二、理想无源元件,电阻元件,当电路的某一部分只存在电 能的消耗而没有电场能和磁 场能的储存，这一部分电路 可用电阻元件来代替。,单位是欧姆（）,25,若 R 虽大于零但不是 常数，这种电阻称为 非线性电阻,图示关联参考方向下,若 R 为一大于零的常 数，则这种电阻称为 线性电阻,26,电阻图片,水泥电阻,线绕电阻,碳膜电阻,可变电阻,压敏电阻,功率电阻,27,解（1）,由于电压源与电流源串联,IIS3 A,根据电流的方向可知,UUSRIS ( 3 + 1 3 ) V = 6 V,28,（2）功率平衡关系,PLUS I( 3 3 ) W = 9 W,电压源处于负载状态， 取用的电功率为,电流源处于电源状态， 输出的电功率为,POU IS( 6 3 ) W = 18 W,电阻 R 消耗的电功率为,PO P L PR,29,1.6 基尔霍夫定律,一、基尔霍夫电流定律（KCL）,b,a,电路中 3 个或 3 个以 上电路元件的连接点 称为结点。,有 a、b 两个结点 。,30,有 acb 、adb、aeb 三条支路 。,两结点之间的每一条 分支电路称为支路。,31,由于电流的连续性， 流入任一结点的电流 之和等于流出该结点 的电流之和。,对结点 a,I1 I2 I3,I1 I2 I3 0,流入结点的电流前取正号， 流出结点的电流前取负号。,32,在电路的任何一个 结点上，同一瞬间 电流的代数和为零。,对任意波形的电流, i 0,在直流电路中, I 0,33,基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中任意结 点，而且还可以推广应用于电路中任何一个 假定的闭合面。,由于闭合面具有与结点相同的性 质，因此称为广义结点。,ICIBIE0,34,解 由图中所示电流 的参考方向，应用基尔霍夫 电流定律，分别由结点 a、 b、c 求得,I6I4I1 (53 ) A 8 A,I2I5I4 8(5 ) A 13 A,I3I6I5 (88 ) A 0 A,或由广义结点得 I3I1I2 (313 ) A 16 A,35,二、基尔霍夫电压定律（KVL）,由电路元件组成的闭 合路径称为回路。,有 adbca、aebda 和 aebca 三个回路 。,36,未被其他支路分割的 单孔回路称为网孔。,有 adbca、aebda 两个网孔 。,37,由于电位的单值性， 从 a 点出发沿回路环 行一周又回到 a 点， 电位的变化应为零。,对回路 adbca,US2U1US1U2,与回路环行方向一致的电压前取正号， 与回路环行方向相反的电压前取负号。,US2U1US1U20,38,在电路的任何一个回 路中，沿同一方向循 行，同一瞬间电压的 代数和为零。,对任意波形的电压, u0,在直流电路中, U0,39,如果回路中理想电压源 两端的电压改用电动势 表示，电阻元件两端的 电压改用电阻与电流的 乘积来表示，则, RI E,或 U E, U RI E,对回路 adbca,R1I1R2I2 E1E2,与回路环行方向一致的电流、电压和电动势前面取正号， 不一致的前面取负号。,40,基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭 合的回路，而且还可以推广应用于任何一个 假想闭合的一段电路。,将 a、b 两点间的电压 作为电阻电压降一样考 虑进去。,R IUE,或 R IUUS0,41,解 由回路 abcdefa,Uab + UcdUed + Uef E1E2,求得 Ued Uab + Ucd + Uef E1 + E2 4 + (6 )52010 V 7 V,42,由假想的回路 abcda,Uab + UcdUad E2,求得 Uad Uab + Ucd + E2 4 + (6 ) 10 V 8 V,43,1.7 支路电流法,支路电流法是求解复杂电路最基本的 方法，它是以支路电流为求解对象， 直接应用基尔霍夫定律，分别对结点 和回路列出所需的方程组，然后解出 各支路电流。,44,支路电流法解题的一般步骤,（1）确定支路数， 选择各支路电流的参 考方向。,有3 条支路，即有3 个待求支路电流。,选择各支路电流的参考方向。,I1,I2,I3,45,支路电流法解题的一般步骤,（2）确定结点数， 列出独立的结点电流 方程式。,有a 、b 2 个结点。,利用KCL列出结点方 程式:,a,b,结点 a : I1I2I3 0,结点 b : I1I2I3 0,只有1个方程是独立的,n 个结点只能列出 n1 个独立的结点方程式。,46,支路电流法解题的一般步骤,（3）确定余下所需的 方程式数， 列出独立 的回路电压方程式。,为使所列出的每一方程式是独立的，应使每次所 选的回路至少包含 1 条前面未曾用过的新支路， 通常选用网孔列出的回路方程式一定是独立的。,网孔的回路方向如图， 列出回路方程式:,左网孔 : R1I1 R3I3 E1,右网孔 : R2I2 R3I3 E2,47,支路电流法解题的一般步骤,（4）解联立方程式， 求出各支路电流的数 值。,R1I1 R3I3 E1,I1 I2 I3 0,R2I2 R3I3 E2,I1、 I2 和 I3,48,解 选择各支路电流的 参考方向和回路方向如图,I1,I2,I3,I4,上结点 I1I2I3 I4 0,左网孔 R1I1R3I3US10,中网孔 R1I1 R2I2US1US2 0,右网孔 R2I2R4I4US20,49,代入数据,I1I2I3 I4 0,I12I3120,I1 2I21212 0,2I24I4120,I14 A， I22 A， I34 A， I42 A,50,1.8 叠加定理,叠加定理是分析线性电路最基本的方 法之一。,在含有多个电源的线性电路中，任一 支路的电流和电压等于电路中各个电 源分别单独作用时在该支路产生的电 流和电压的代数和。,51,由支路电流法可得,52,由支路电流法可得,53,（1）在考虑某一电源单独作用时，应令 其他电源中的 US = 0 ，IS = 0。即应将其他电 压源代之以短路 ，将其他电流源代之以开路。,应用叠加定理时要注意：,（2）最后叠加时，一定要注意各个电源 单独作用时的电流和电压分量的参考方向是 否与总电流和电压的参考方向一致，一致时 前面取正号 ，不一致时前面取负号。,（3）叠加定理只适用于线性电路。,（4）叠加定理只能用来分析和计算电流 和电压，不能用来计算功率。,54,55,解电压源单独作用时,= 1.75 V,56,电流源单独作用时,= ( 1 1.6 + 3 1.25 ) V = 5.35 V,57,最后求得,= ( 3.250.35 ) A,= (1.75 + 5.35 ) V = 3.6 V,= 3.6 A,58,1.9 等效电源定理,等效电源定理是将有源二端网络用一个等效 电源代替的定理。,有源二端网络,对 R2 而言，有源二端网络相当于其电源。在对外部 等效的条件下可用一个等效电源来代替。,戴维宁等效电源,诺顿等效电源,59,一、戴维宁定理,对外部电路而言，任何一个线性有源二 端网络都可用一个戴维宁等效电源来代替。 戴维宁等效电源中的电压源电压 UeS 等于原 有源二端网络的开路电压 UOC ，内电阻 R0 等于原有源二端网络的开路电压 UOC 与短路 电流 ISC 之比，也等于将原有源二端网络内 部除源（即将所有电压源代之以短路，电流 源代之以开路）后，在端口处得到的等效电 阻。,60,输出端开路时，二者的开路电压 UOC 应相等。,输出端短路时，二者的短路电流 ISC 应相等。,61,因此,UOC US + R1IS,对于图(a),62,二、诺顿定理,对外部电路而言，任何一个线性有源二 端网络都可用一个诺顿等效电源来代替。诺 顿等效电源中的电流源电流 IeS 等于原有源 二端网络的短路电流 ISC ，内电阻 R0 等于原 有源二端网络的开路电压 UOC 与短路电流 ISC 之比，也等于将原有源二端网络内部除源后 在端口处得到的等效电阻。,63,输出端短路时，二者的短路电流 ISC 应相等。,输出端开路时，二者的开路电压 UOC 应相等。,R0 求法与戴维宁 定理中相同,64,戴维宁等效电源和诺顿等效电源既然都可以用 来等效代替同一个有源二端网络，因而在对外 等效的条件下，相互之间可以等效变换。,等效变换的公式为,变换时内电阻 R0 不变， IeS 方向应由 UeS 的负极流向正极。,65,解 利用等效电源定理 解题的一般步骤如下：,（1） 将待求支路提出，使 剩下的电路成为有源二端网络。,66,（2） 求出有源二端网络的 开路电压 UOC 和短路电流 ISC 。,根据 KVL 求得,UOC US R1IS,（61 3）V 3 V,根据 KCL 求得,67,（3）用戴维宁等效电源或诺顿等效电源代替有源二端 网